Οι ρωγμές που δημιουργούνται από την κόπωση συγχωνεύονται ξανά σε μέταλλα - Physics World

Οι ρωγμές που δημιουργούνται από την κόπωση συγχωνεύονται ξανά σε μέταλλα - Physics World

Χρονική σήμανση: 21 Αυγούστου 2023 8:00 π.μ.

Φωτογραφία του Ryan Schoell που κοιτάζει μια οθόνη υπολογιστή σε ένα σκοτεινό εργαστήριο λουσμένο με κόκκινο φως λέιζερ
Μελέτη ρωγμών κόπωσης σε νανοκλίμακα: Ο ερευνητής του Εθνικού Εργαστηρίου Sandia, Ryan Schoell, χρησιμοποιεί μια εξειδικευμένη τεχνική ηλεκτρονικών μικροσκοπίων μετάδοσης που αναπτύχθηκε από τους Khalid Hattar, Dan Bufford και Chris Barr για να μελετήσει τις ρωγμές κόπωσης σε νανοκλίμακα. (Ευγενική προσφορά: Craig Fritz, Sandia National Laboratories)

Ερευνητές από τα Εθνικά Εργαστήρια Sandia (SNL) και το Πανεπιστήμιο A&M του Τέξας στις ΗΠΑ παρατήρησαν ότι οι ρωγμές σε ένα μέταλλο γίνονται πιο κοντές. Το απροσδόκητο εύρημα –οι ρωγμές συνήθως μεγαλώνουν περισσότερο– ανατρέπει τις θεωρίες για θραύση σε μέταλλα και θα μπορούσε να βοηθήσει στο σχεδιασμό υλικών που «θεραπεύουν» τις δικές τους εσωτερικές βλάβες.

Όταν τα μέταλλα υφίστανται επανειλημμένα τάσεις και παραμορφώσεις, αρχίζουν να σχηματίζονται μικροσκοπικές ρωγμές. Αυτές οι ρωγμές είναι ένας τύπος βλάβης λόγω κόπωσης και με την πάροδο του χρόνου, μεγαλώνουν και εξαπλώνονται μέχρι να προκαλέσουν τελικά την αποτυχία της δομής - συχνά απρόβλεπτα.

Αυτή η ανάπτυξη θεωρήθηκε μη αναστρέψιμη, αλλά οι ερευνητές ηγήθηκαν SNL επιστήμονας και μηχανικός υλικών Μπραντ Μπόις διαπίστωσε ότι αυτό δεν είναι απαραίτητα αλήθεια. Στη μελέτη τους, χρησιμοποίησαν ένα ειδικά τροποποιημένο ηλεκτρονικό μικροσκόπιο που τους επέτρεψε να στραγγίσουν επανειλημμένα δείγματα πλατίνας σε νανοκλίμακα, ενώ παρατηρούσαν τι συμβαίνει μέσα τους. Όπως ήταν αναμενόμενο, είδαν ρωγμές κόπωσης νανοκλίμακας να εμφανίζονται νωρίς στο πείραμα. Απροσδόκητα, ωστόσο, είδαν επίσης τις άκρες των ρωγμών να συγχωνεύονται περίπου 40 λεπτά αργότερα.

«Οι ρωγμές αναμενόταν μόνο να γίνουν μεγαλύτερες, όχι μικρότερες», λέει ο Boyce. «Ακόμη και μερικές από τις βασικές εξισώσεις που χρησιμοποιούμε για να περιγράψουμε την ανάπτυξη ρωγμών αποκλείουν τη δυνατότητα τέτοιων διαδικασιών επούλωσης».

Ψυχρή συγκόλληση με πλευρική ρωγμή

Η ομάδα του SNL δεν έψαχνε σκόπιμα αυτό το αποτέλεσμα όταν ξεκίνησε το πείραμα, αλλά αφού το παρατήρησαν, τα μέλη αναγνώρισαν τη διαδικασία αντιστροφής της ζημιάς ή «αυτοίασης», ως μια μορφή ψυχρής συγκόλλησης που συμβαίνει στις πλευρές των ρωγμών. Αυτό το αποτέλεσμα προκαλείται από έναν συνδυασμό τοπικής καταπόνησης και μετανάστευσης στα όρια των κόκκων και Μάικλ Ντέμκοβιτς, καθηγητής επιστήμης και μηχανικής υλικών στο Texas A & M, προέβλεψε το 2013 ότι ήταν δυνατό.

«Όταν η μικροδομή του υλικού αλλάζει, μπορεί να ωθήσει μαζί τις αντίθετες δυνάμεις μιας ρωγμής», εξηγεί ο Demkowicz. «Εάν αυτά τα πρόσωπα είναι καθαρά, μπορούν να συνδεθούν και να «θεραπεύσουν» μέσω ψυχρής συγκόλλησης».

Ενώ οι ερευνητές έχουν κατασκευάσει στο παρελθόν υλικά αυτο-θεραπείας, αυτά ήταν κυρίως κατασκευασμένα από πλαστικό, όχι μέταλλο. Ο Demkowicz, ωστόσο, υπολόγισε ότι υπό ορισμένες συνθήκες, τα μέταλλα θα πρέπει να είναι σε θέση να συγκολλούν τις ρωγμές που δημιουργούνται από ζημιές λόγω κόπωσης. «Αποδείχτηκε δύσκολο να καταλήξω σε ένα πείραμα που θα μπορούσε να δοκιμάσει την πρόβλεψή μου, αλλά οι ερευνητές του SNL, οι οποίοι στην πραγματικότητα εργάζονταν για την κατανόηση της εξέλιξης της γενικής ζημιάς, κατέληξαν αυθόρμητα να παρατηρούν τη διαδικασία που είχα θεωρήσει».

Βραχυπρόθεσμα, λέει ο Demkowicz Κόσμος Φυσικής ότι τα ευρήματα της ομάδας θα βοηθήσουν στη βελτίωση των θεωριών για ρωγμές σε μέταλλα. Μακροπρόθεσμα, μπορεί να οδηγήσουν σε νέες στρατηγικές για το σχεδιασμό μετάλλων που ανθίστανται στη φθορά.

Για τη μελέτη αυτή, η οποία αναλύεται στο Φύση, οι ερευνητές πραγματοποίησαν τις μετρήσεις τους σε κενό, επομένως δεν είναι σαφές εάν η επούλωση ρωγμών μπορεί να συμβεί και στον αέρα. Οι ερευνητές θα ήθελαν τώρα να μάθουν εάν αυτό είναι δυνατό.

Σφραγίδα ώρας:

Περισσότερα από Κόσμος Φυσικής